BAB II PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR (PLTA) RENUN
2.1
Sejarah Singkat PLTA Renun
Perusahaan listrik Negara (PLN) adalah sebuah perusahaan yang bergerak dibidang kelistrikan untuk menyediakan listrik di Indonesia.Penyediaan listrik di Indonesia sangatlah kurang, terutama untuk daerah-daerah terpencil yang belum ada penyaluran listrik ke daerah tersebut. Oleh karena itu PT PLN (Persero) Pembangkitan Sumatera Bagian Utara (SUMBAGUT) yang mempunyai tujuh sektor pembangkitan salah satunya adalah Sektor Pembangkitan Pandan yang terletak di Sibolga Sumatera Utara yang membangun sebuah pembangit listrik yang memanfaatkan tenaga air. Sektor Pembangkitan Pandan mempunyai dua unit pembangkit yang memanfaatkan air sebagai bahan baku utama, yaitu PLTA Renun dan PLTA Sipan Sihaporas dengan masing-masing pembangkit berkapasitas 2 x 41 MW dan 50 MW. Penyediaan listrik dengan daya besar dapat dilakukan dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU), dengan gas (PLTG), tenaga diesel (PLTD) dan tenaga air (PLTA). Energi listrik disalurkan melalui jaringan transmisi (biasanya bertegangan tinggi) menuju para pemakai listrik. Sebelum mencapai konsumen, tegangan listrik akan diturunkan ke level tegangan yang digunakan konsumen. PLTA Renun dibangun oleh PLN yang bekerjasama dengan Overseas Economic Cooperation Fund (OECF)diatas lahan seluas
3ha.PLTA. Renun
yang memanfaatkan air sebagai bahan baku utama, mulai dibangun pada tahun 1993 dan mulai beroperasi pada tahun 2005 dengan kapasitas pembangkit 2 x 41 MW. PLTA ini berlokasi di Propinsi Sumatra Utara, Kabupaten Dairi, Desa Silalahi. Sumber air yang diperoleh adalah dari 11 aliran sungai, 8 aliran sungai di tampung dalam satu waduk, dan 3 aliran sungai yang lain langsung di alirkan ke penstock. Power House di isi oleh 2 unit turbin francis, berporos vertikal vert ikal dengan
5
total daya yang terpasang 82 MW. Daya yang dibangkitkan dari pusat daya daya yaitu 150 KV. KV. Dikirim ke transmisi tegangan tinggi dan disambung pada subtation Berastagi dan subtation Sidikalang. PLTA Renun terletak di Propinsi Sumatera Utara, sekitar 100 km di sebelah selatan Medan dan meliputi bagian hulu Renun dan Danau Toba. PLTA ini membangkitkan tenaga listrik secara ekonomis dengan mengalihkan sekitar 22 3 m /detik dari Sungai Renun dan 11 anak sungai ( tributary intake) ke Danau Toba. 3
Dengan debit air rata-rata 11 m /det untuk masing-masing turbin dan tinggi jatuh efektif air 434.6 m diharapkan akan menghasilkan energi sebesar 313.5 GWh/tahun. 2.2
Komponen PLTA Renun
Secara garis besar komponen – kompnen PLTA berupa bangunan pembawa air (water way), turbin air, generator, transformator dan alat bantu. Adapun penjelasan beberapa macam komponen PLTA tersebut disajikan dalam penjelasan berikut ini : 2.2.1
Bangunan Pembawa Air (Water Way) Water Way merupakan bagian konstruksi dari suatu PLTA yang terdiri
dari bangunan pengambilan ( intake tructure) sampai ke saluran pembuangan akhir (Tail Race), yang merupakan suatu bagian utama dari PLTA. Water Way berfungsi sebagai jalan air dari sumber air.
Gambar 2.1
General layout Water Way PLTA Renun 6
total daya yang terpasang 82 MW. Daya yang dibangkitkan dari pusat daya daya yaitu 150 KV. KV. Dikirim ke transmisi tegangan tinggi dan disambung pada subtation Berastagi dan subtation Sidikalang. PLTA Renun terletak di Propinsi Sumatera Utara, sekitar 100 km di sebelah selatan Medan dan meliputi bagian hulu Renun dan Danau Toba. PLTA ini membangkitkan tenaga listrik secara ekonomis dengan mengalihkan sekitar 22 3 m /detik dari Sungai Renun dan 11 anak sungai ( tributary intake) ke Danau Toba. 3
Dengan debit air rata-rata 11 m /det untuk masing-masing turbin dan tinggi jatuh efektif air 434.6 m diharapkan akan menghasilkan energi sebesar 313.5 GWh/tahun. 2.2
Komponen PLTA Renun
Secara garis besar komponen – kompnen PLTA berupa bangunan pembawa air (water way), turbin air, generator, transformator dan alat bantu. Adapun penjelasan beberapa macam komponen PLTA tersebut disajikan dalam penjelasan berikut ini : 2.2.1
Bangunan Pembawa Air (Water Way) Water Way merupakan bagian konstruksi dari suatu PLTA yang terdiri
dari bangunan pengambilan ( intake tructure) sampai ke saluran pembuangan akhir (Tail Race), yang merupakan suatu bagian utama dari PLTA. Water Way berfungsi sebagai jalan air dari sumber air.
Gambar 2.1
General layout Water Way PLTA Renun 6
PLTA Renun memiliki Water Way sepanjang ± 21 km yang terdiri dari terowongan Upstream Headrace Tunnel (Penghantar Bagian Hulu) yang berfungsi untuk mengalirkan air dari Main Intake, beserta Tributary Intake sebanyak 8 unit ke Regulating Pond (Kolam Tando) sepanjang ± 8,8 km.Lalu terowongan Downstream Headrace Tunnel (Penghantar Bagian Hilir) yang berfungsi untuk mengalirkan air dari Regulating Pond , beserta Tributary Intake sebanyak 3 unit dengan Penstock
(Pipa Pesat) sepanjang ± 11,3 km, dan
Penstock yang berfungsi untuk mengalirkan air dari DHT ke turbin. Simulasi Water Way Unit PLTARenun dilihat pada gambar 2.1 dan 2.2 .
Gambar 2.2
Water Way PLTA Renun
Sumber air di unit PLTA Renun ini bersumber dari Sungai Renun dan 11 anak sungainya. Air mengalir dari sumber-sumber air melalui UHT, DHT, dan Penstock disebabkan oleh gaya dorong berupa gaya grafitasi dimana gaya
tersebut terjadi karena karena perbedaan elevasi antara UHT dengan DHT, dan DHT dengan penstock .
7
Gambar 2.3
2.2.1.1
Elevasi Water Way
Main Intake
Main Intake adalah bangunan pada PLTA yang berfungsi sebagai pintu utama yang mengalirkan airmenuju Regulating Pond. Sumber utama di Unit PLTA Renun didapat dari Sungai Renun yang dialirkan melalui Main Intake yang terletak 28 km dari Base Camp PLTA Renun yaitu di desa Pangaringan. Luas daerah tangkapan air pada Main Intake yang berasal dari Sungai Renun seluas 139 2
3
km dengan debit rata-rata air sebesar 5.63 m /detik. Gambar Main Intake dapat dilihat pada gambar 2.4.
Sungai Renun
Gambar 2.4
Main Intake
8
2.2.1.2
Upperstream Headrace Tunnel (UHT)
Upperstream Headrace Tunnel (UHT) merupakan terowongan yang menyalurkan air dari Main Intake menuju Regulating Pond.Terdapat 1-8 Tributary Intake disepanjang UHT. Tributary Intake adalah saluran anak sungai yang berfungsi untuk menambah debit air. Gambar UHT dapat dilihat pada gambar 2.5. Data spesifikasi alat: Tipe
: Bentuk lingkaran dengan kekuatan permukaan
beton dan garis
lengkung beton dan bagian terbalik kondisi aliran bebas. Diameter/panjang
: 3,4 m / 8,718 km
Gambar 2.5
2.2.1.3
Upperstream Headrace Tunnel (UHT)
Tributary Intake
Selain dari sungai Renun, sumber air yang digunakan Unit PLTA Renun diperoleh dari 11 anak sungai yang disalurkan melalui Tributary Intake. Tributary Intake no. 1-8 terdapat di sepanjang UHT dan Tributary Intake no. 9-11 di sepanjang Downstream Headrace Tunnel (DHT).Data Catchment Area (Jangkauan Air) pada setiap Tributary Intake dapat dilihat pada table 2.2.Data debit aliran sungai, rata-rata tiap bulan baik Main Intake maupun Tributary Intake selama 2 tahun dari tahun 2008 sampai dengan 2010 dapat dilihat pada tabel 2.1.
No
Keterangan
Hasil Analisa
Satuan
Acuan Metode 9
1.
Main Intake
2.
Regulatng Pond
8,2378
m3/det
Perhitungan
14,5360
m3/det
Perhitungan
3
3
Tributary Intake 1
1,3997
m /det
Perhitungan
4
Tributary Intake 2
1,5722
m3/det
Perhitungan
5
Tributary Intake 3
2,0482
m3/det
Perhitungan
3
6
Tributary Intake 4
2,3893
m /det
Perhitungan
7
Tributary Intake 5
2,7762
m3/det
Perhitungan
8
Tributary Intake 6
2,2936
m3/det
Perhitungan
9
Tributary Intake 7
10
Tributary Intake 8
11
Tributary Intake 9 Tributary Intake 10 Tributary Intake 11 Tabel 2.1
12 13
2,6712
3
m /det
Perhitungan
m3/det
Perhitungan
0,3706
m3/det
Perhitungan
2,7122
m3/det
Perhitungan
0,3187
2,2078 m3/det Perhitungan Debit rata-rata Main Intake & Tributary Intake (TI)
Laporan implementasi pengelolaan lingkungan dan pemantauan lingkungan PLTA Renun 2008-2010
Tabel 2.2
Catchment Area
Tribut ary Intake
Catch ment Ar ea (km 2)
TI-1 Lae Mbara
4,3
TI-2 Lae Mbontar
6,4
TI-3 Lae Simbara
7,9
TI-4 Lae Simartaban
5,7
TI-5 Lae Lembam
9,8
TI-6 Lae Sipatonga
7,1
TI-7 Lae Singilang
11,1
TI-8 Lae Patuak
19,7
TI-9 Lae Sipaha
8,6
TI-10 Lae Pinagar
24,1
TI-11 Lae Manaisai
17,4
10
2.2.1.4
Regulating Pond Regulating Pond merupakan suatu kolam yang mengatur aliran air
sungai guna keperluan harian atau mingguan. Regulating Pond juga berfungsi sebagai kolam pengendap lumpur dan pasir yang terbawa oleh aliran air. Pada saat beban puncak aliran air perlu dapat diatur selama kira-kira lima sampai enam jam lamanya.
Gambar 2.6
Regulating Pond
Regulating Pond terletak di Desa Sileuleu dengan luas area 100.000 2
m , dengan bentuk lonjong yang memiliki kedalaman ± 5 m dengan kapasitas air 3
sebanyak 500.000 m dengan elevasi maksimum 1.370 m. Data spesifikasi Regulating Pond : Type
: Galian berbentuk lonjong dengan perlindungan galian yang diserong. 3
Kapasitas
: Volume efektif 500.000 m dengan luas area 100.000 m
Level Air
: Level Air Max 1.370 m dan Min 1.365 m
2
Pada Regulating Pond terdapat:
11
1.
Control Room (Ruang Kontrol)
Ruang control berfungsi untuk mengatur operasional dari Intake Gate Regulating Pond , dan memonitoring ketinggian atau level air di Regulating Pond .
2.
Intake Gate Regulating Pond
Pada Regulating Pond , terdapat satu buah Intake Gate Regulating Pond (Pintu Pengatur Kolam ), adapun sepesifikasinya adalah sbb : Type
: Fixel Wheel Gate
Clear Span
: 3,3 m
Clear Height
: 3,3 m
Quantity
: 3 set
Hoisting Speed
: 0,5 m/menit ± 10 %
Gate Weight
: 6,9 ton
Tahun Pembuatan
: 2000
Manufacturer
: PT. Boma Bisma Indra
2.2.1.5
Spillway
Spillway atau bangunan pelimpah yang terletak disudut bagian utara dari Regulating Pond berfungsi untuk mengalirkan atau membuang air dari Regulating Pond pada saat ketinggian air pada Regulating Pond diatas 1.370 m diatas permukaan laut. Tipe bangunan pelimpah pada Spillway adalah type aliran 3
tanpa pintu dengan lebar 40 m dan Discharge Spillway adalah 24,6 m /s
Intake UHT
DHT Spillwa
12
Gambar 2.7
2.2.1.6
Spillway
Downstream Headrace Tunnel (DHT)
Downstream Headrace Tunnel (DHT) merupakan terowongan saluran air yang menghubungkan Regulating Pond dengan Penstock Tunnel (Pipa Pesat). Gambar DHT dapat dilihat pada gambar 1. Tipe
: Berbentuk garis lingkaran dengan kekuatan permukaan beton pada kondisi aliran tekanan.
Diameter
: 3,3 m
Panjang
: 11.205 m
13
Gambar 2.8
2.2.1.7
Downstream Headrace Tunnel (DHT)
Penstock Tunnel
Penstock
Tunnel
merupakan
terowongan
saluran
air
yang
menghubungkan DHT dengan Power House serta berfungsi untuk mengalirkan air dari Regulating Pond atau langsung dari Intake Structur ke turbin. Tipe
: Pipa steel mengelilingi di dalam beton
Diameter pipa : 3,3 m dan 3,0 m di atas sisi horizontal, 2,8 m di atas sisi kemiringan, 2,5 m di tengah sisi horizontal 2,3 m di bawah sisi kemiringan 2,2 m dibawah sisi horizontal Panjang
:Total panjang 821,3 m
14
dia. 3.0m
dia. 2,8 m
dia. 2,5 m
dia. 2,3
dia. 2,2 m
Gambar 2.9
2.2.1.8
Penstock Tunnel
Surge Tank (Tangki Pendatar)
Surge Tank
merupakan suatu bangunan yang berfungsi sebagai
peredam tekanan berlebih yang diakibatkan oleh penutupan Main Inlet valve pada Penstock Tunnel sehingga tidak terjadi pecahnya Penstock Tunnel akibat tekanan yang berlebih dan juga berfungsi agar Main Inlet Valve tidak rusak akibat water hammer. Tipe
: Tipe lubang pembatas
Diameter
: 8,0 m
Tinggi
: 57,55 m
15
Gambar 2.10
2.2.2
Surge Tank
Turbin Air
Dalam suatu sistem PLTA, turbin air merupakan salah satu peralatan utama selain generator. Turbin air adalah alat untuk mengkonversikan energi air menjadi energi gerak dalam bentuk putaran. 2.2.2.1
Klasifikasi Turbin Air
Ditinjau dari kedudukan porosnya Turbin air dibagi menjadi dua jenis: 1.
Turbin Horizontal
2.
Turbin Vertical Ditinjau dari fluida kerjanya dibagi menjadi dua jenis
1.
Turbin Reaksi Turbin reaksi ialah Turbin dimana air yang melewati runner
mengalami penurunan tekanan baikpada sudu pengatur maupun pada runner. Beberapa jenis Turbin Reaksi adalah Turbin Francis,Turbin Propeller,dan Turbin Kaplan.
16
2.
Turbin Impuls Turbin implus ialah Turbin dimana proses penurunan tekananairnya
terutama terjadi didalamdiatributor / nozelnya dan tidak terjadi pada sudu-sudu jalannya. Salah satu jenis Turbin Implus adalah Turbin Pelton.
Vertikal
Horizontal (a)
(b)
(c) Gambar 2.11
KlasifikasikedudukanPorosTurbin (a) Turbin Kaplan, (b) Turbin Pelton, (c) Turbin Francis
17
Ditinjau dari arah aliran air : 1.
Turbin Radial Turbin radial ialah turbin dimana aliran air yang melewati runner
dalam arah radial.Salah satu jenis turbin radial adalah Turbin Pelton. 2.
TurbinAksial Turbin aksial ialah turbin dimana aliran air yang melewati runner
dalam arah aksial. Salah satu jenis turbin Aksial adalah Turbin proppeler,dan Turbin kaplan. 3.
Turbin Radial Aksial Turbin radial aksial ialah Turbin dimana air yang masuk ke runner
dalam arahradial dan setelah keluar dari runner dalam arah aksial.Salah satu jenis Turbin radial aksial adalahTurbin Francis. Pada pembangkit listrik tenaga air, turbin air diklasifikasikan menjadi High Head, Medium Head,dan Low Head. Tidak ada batasan pasti yang dapat ditetapkan untuk masing-masingkelas namun umumnya adalah sebagai berikut: Low Head umumnya untuk tinggi jatuh lebih kecil dari 100 feet. Medium Head untuk tinggi jatuh antara 100 - 800 feet. High Head untuk tinggi jatuh diatas 800 atau 1000 feet. Jenis Turbin yang digunakan untuk pembangkitan tergantung pada jumlah air headyang ada dan faktor ekonomi.
Gambar 2.12 Runner Turbin Kaplan
18
Gambar 2.13 Runner Turbin Francis
Jenis turbin reaksi merupakan jenis yang paling sering digunakan. Tipe turbin reaksi Kaplan dan Francis yang paling banyak digunakan. 2.2.2.2
Bagian-Bagian Utama Pada Turbin Air
1.
Main Inlate Valve (MIV)
Main Inlate Valve (MIV) sering juga disebut katup induk. MIV ialah katup yang dipasang antara ujung bawah penstock dan sisi masuk turbin yang berfungsi untuk menutup aliran air masuk ke turbin disaat turbin tidak beroperasi dan pada PLTA tertentu katup ini juga berfungsi sebagai pengaman dalam menghentikan turbin bila tekanan minyak hilang.
MIV dilengkapi dengan katup
bypass yang fungsinya untuk menyamakan tekanan air pada kedua sisi katup sebelum katup utama dioperasikan. Biasanya jenis katup yang digunakan adalah : 1. Katup kupu-kupu (Buterfly valve) 2. Katup sorong (Slince gate) 3. Katup putar (rotary valve)
Gambar 2.14 Main Inlate Valve
19
2.
Spiral case
Spiral Case berfungsi untuk mengumpulkan, mendistribusikan dan mengarahkan aliran air kearah guide vane dan selanjutnya ke arah sudu-sudu pada runner untuk menghasilkan daya keluaran turbin yang optimal. Bentuk dari spiral case ini seperti rumah keong yang dimaksudkan agar distribusi tekanan dan kecepatan air akan selalu sama di seluruh guide vane. Spiral case mempunyai satu manhole dengan diameter 500mm dan tutupnya dirancang agar membuka kearah luar. Gantungan luar tutup manhole dan kaki-kaki gantungan terbuat dari baja. Disekeliling tutup manhole dilapisi karet dengan diamater ketebalan 6mm dan menyatu dengan bolts dan nuts untuk keperluan sealing. Saat tutup manhole dibuka untuk pemeliharaan, karet pelapis tutup harus diganti dengan yang baru waktu tutup dipasang kembali untuk menjaga kekuatan seal yang baik.Bentuk spiral case dapat dilihat pada gambar 2.15.
Gambar 2.15
3.
Spiral Case
Stay vane
Stay vane berfungsi sebagai sudu pengarah dan mendistribusikan aliran air secara merata menuju guide vane. 20
4.
Guide vane
Guide vane berfungsi untuk mengatur air yang masuk ke runner turbine dari debit maksimal sampai debit nol.
Gambar 2.16 Guide Vane
5.
Regulating ring
Regulating Ring berfungsi untuk merubah gerakan translasi dari servomotor menjadi rotasi yang dapat memutar guide vane secara bersama an.
Gambar 2.17 Regulating Ring
21
Motor Servo
Gambar 2.18 Regulating Ring
6.
Runner
Runner berfungsi untuk mengubah energi kinetik air menjadi energi mekanis yang digunakan kemudian untuk memutar generator.
Gambar 2.19
7.
Runner
Shaft Turbin Shaft turbin berfungsi untuk mentransfer putaran dari runner ke
generator melalui kopling.
22
Gambar 2.20
8.
Shaft Turbin
Guide bearing
Guide bearing berfungsi sebagai bantalan untuk menahan beban radial akibat putaran poros. 9.
Draft tube
Draft Tube berfungsi untuk menghubungkan spiral case ke tail race.
23
10.
Tail Race
Tail race berfungsi sebagai tempat pembuangan air dari yang melalui draft tube.
Gambar 2.21
2.2.2.3
Bagian-Bagian Turbin
Prinsip Kerja Turbin Air
Bagian-bagian utama yang berperan untuk menghasilkan putaran pada turbin yaitu : Main Inlate Valve (MIV),Spiral case, Stay vane,Governor, Regulating Ring, Servo Motor, Link Regulator, Guide Vane. Air masuk dari penstock dengan head 434.6 m, kemudian air tersebut menuju main inlate valve (open), dari main inlate valve air didistribusikan ke komponen turbin yaitu spiral case,di dalam spiral case aliran air akan didistribusikan kembali menuju Guide Vane. Aliran air yang mengalir pada stay vane diarahkan oleh guide vane. Guide vane akan membuka tutup sesuai perintah governor (sudut untuk membuka dan mentutup guide vane adalah 0º-15°) melalui servo motor. Servo motor akan menggerakan regulating ring. Regulating ring berhubungan langsung dengan guide vane melalui link regulating. 24
Dengan adanya gerakan servo motor tersebut akan terjadi proses buka tutup pada guide vane. Aliran air yang melalui guide vane akan mendorong runner turbin sehingga terjadi putaran pada shaft turbin dengan kecepatan 750 rpm (standar). Air yang melalui runner akan dibuang ke danau toba melalui Tail race dan Draft Tube. Pada saat turbin berputar terjadi gaya mekanik pada turbin yang diteruskan ke shaft generator melalui kopling, sehingga merubah energi mekanik menjadi energi listrik (terjadi dalam komponen generator). Pada setiap generator renun mampu membangkitkan daya listrik sebesar 41 MW. Energi listrik tersebut didistribusikan kepada pelanggan.Unit PLTA Renun menggunakan turbin air dengan turbin Francis dengan kapasitas daya terpasang sebesar 41 MW baik pada Unit 1 maupun Unit 2. Berikut ini adalah data spesiifikas dari turbin yang dipakai di Unit PLTA Renun: Type
: Francis Turbin
Runner Nominal Diameter
: 1000 mm
Inlet Diameter
: 1696 mm
Number of Blades
: 30
Weight ( runner Only )
: 2.5 Kgs
Shaft Orientation
: Vertical
Syncronous Speed
: 750 rpm
Runaway Speed
: 1275 rpm
Rated Head
: 434.6 m
Rated Output
: 42 mW
Rated Flow
: 10.42 m /s
Min. Head for rated P max.
: 430.3 m
Max. Output
: 41 MW
3
25
Thrust Toward Suction Cone Normal
: 25 Tonnes
Runaway
: 43.6 Tonnes
Max
: 43.6 Tonnes
Min
: -4.4 Tonnes
Load Rejection Max Spiral Pressure
: 582 m
Max Speed
: 1087.5 m
Max Speed Rise
: 45 %
Guide Closing Rate
: 6.0 Initial 14.0 Second
Opening Rate
: 25.0
2.2.2.4
Karateristik Turbin
Untuk dua turbin atau lebih yang mempunyai dimensi yang berlainan disebut homologius jika kedua turbin atau lebih tersebut sebangun geometri dan mempunyai karakteristik yang sama. Karakteristik suatu turbin dinyatakan secara umum oleh enam buah konstanta yaitu : 1.
Rasio Kecepatan (ɸ)
2.
Kecepatan Satuan ( N u)
3.
Debit Satuan (Qu)
4.
Daya Satuan (Pu)
5.
Kecepatan Spesifik ( N s)
6.
Diameter Spesifik ( Ds)
26
1.
Rasio Kecepatan
Rasio Kecepatan(ɸ) adalah perbandingan antara kecepatan keliling linier turbin pada ujung diameter nominalnya dibagi dengan kecepatan teoritis air melalui curat dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjun ( H netto) yang bekerja pada turbin.
ɸ =
ɸ = ............................(2.1) � 2 84,6 √ H
Vlinier
=
60
Dengan N adalah putaran turbin rpm (rotasi per menit), D adalah diameter karakteristik turbin (m), umumnya digunakan diameter nominal, H adalah tinggi terjun netto/efektif (m). 2.
Kecepatan Satuan ( N u)
Kecepatan Satuan ( N u) adalah kecepatan putar turbin yang mempunyai diameter (D) satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan panjang. Dari pers (2.1) diperoleh Korelasi : N = 84,6 ɸ
√ ..............................................................(2.2)
Dengan memasukkan nilai D = 1 m dan H = 1 m, maka pers (2.2) menjadi : Nu = 84,6ɸ....................................................................(2.3) Akhirnya pers (2.2) dapat ditulis sebagai : Nu = 3.
........................................................................(2.4) √
Debit Satuan (Qu)
Debit yang masuk turbin secara teoritis dapat diandaikan sebagai debit yang melalui suatu curat dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjun (Hnetto)
27
yang bekerja pada turbin. Oleh karena itu debit yang melalui turbin dapat dinyatakan sebagai : 2 � 2............................................................. (2.5) 4 1
Q = Cd
= C
2 √ H
Dengan Cd adalah koefisien debit. Debit Satuan (Qu) adalah debit turbin yang mempunyai diameter (D) satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan panjang. 1
Qu = Cd
4
� 2.................................................................. (2.6)
Akhirnya pers (2.5) dapat ditulis sebagai :
..................................................................(2.7) 2 √
Qu = 4.
Daya Satuan ( Pu)
Daya (P) yang dihasilkan turbin dapat dinyatakan sebagai :
√ H ɣ
P = ɳ Q H ɣ = ɳ Qu 2
3/2 .................................................(2.8)
P = ɳ ɣ Qu 2
Dengan ɳ adalah efisiensi turbin, ɣ adalah berat jenis air. Daya Satuan (Pu) adalah daya turbin yang mempunyai diameter (D) satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun (H netto) satu satuan panjang. Akhirnya pers (2.8) dapat ditulis sebagai : Pu=
.....................................................(2.9) 2 3/2
28
5.
Kecepatan Spesifik ( N s)
Kecepatan spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak berhubungan dengan ukurannya.Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah skalanya dari desain yang sudah ada, dengan performa yang sudah diketahui.Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air. Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan ideal, persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan head.Kecepatan spesifik turbin dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu. Kecepatan spesifik juga merupakan titik awal dari analisis desain dari sebuah turbin baru.Setelah kecepatan spesifik yang diinginkan diketahui, dimensi dasar dari bagian - bagian turbin dapat dihitung dengan mudah. Keluaran turbin dapat diperkirakan berdasarkan dari test permodelan. Replika miniatur dari desain yang diusulkan, diameter sekitar satu kaki (0,3 m), dapat diuji dan hasil pengukuran laboratorium dapat digunakan sebagai kesimpulan dengan tingkat keakuratan yang tinggi. Debit yang melalui turbin dikendalikan dengan katub yang besar atau pintu gerbang yang disusun diluar sekeliling pengarah turbin. Perubahan head dan debit dapat dilakukan dengan variasi bukaan pintu, akan menujukkan efisiensi turbin dengan kondisi yang berubah-ubah. Eliminasi diameter (D) dari pers (2.4) dan pers (2.9) menghasilkan korelasi :
√ √
5/4
N = Atau :
Ns =
√ ..........................................................................(2.10) 5/4 29
Atau :
...............................................................(2.11) Kecepatan spesifik ( N s) adalah kecepatan putar turbin yang menghasilkan daya sebesar satu satuan daya pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan panjang. Kecepatan spesifik ( N s) dapat dinyatakan dalam sistem metrik maupun sistem Inggris, korelasi dari kedua sistem ters ebut dinyatakan dalam ; N s (metrik) = N s (Inggris) x 4,42.......................................................(2.12)
Catatan : Satuan daya yang digunakan dalam rumus diatas adalah da ya kuda (HP) 6.
Diameter Spesifik ( D s)
Dari pers (2.9) diperoleh korelasi :
D=
√ .............................................................(2.13) √ 3/4 1
Diameter Spesifik ( Ds) adalah diameter turbin yang menghasilkan daya sebesar satu satuan daya pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan panjang. Akhirnya pers (2.12) dapat ditulis sebagai :
Ds =
2.2.3
3/4 .................................................................(2.14) √
Generator
Generator pada unit Pembangkitan adalah suatu alat yang berfungsi merubah energi mekanik menjadi energi listrik. Pada dasarnya, listrik dapat dibangkitkan apabila terpenuhinya 3 syarat yaitu:
30
1.
Kumparan,
2.
Medan magnet
3.
Putaran. Proses konversi energi mekanik menjadi energi listrik pada generator
adalah dengan memutar medan magnet di dalam kumparan sehingga terjadi perpotongan garis-garis medan magnet (fluksi) oleh kumparan dan terjadi GGL (Gaya Gerak Listrik) dan mengalirkan elektron pada kumparan.
Gambar 2.22 2.2.3.1
Bagian-Bagian Generator
PrinsipKerja Suatu Generator
Suatu generator pada dasarnya terdiri dari kumparan yang berputar di sekitar medan magnet. Akibat putaran tersebut maka terjadi perpotongan garisgaris medan magnet oleh kumparan sehingga terjadi induksi pada kumparan yang menimbulkan GGL (Gaya Gerak Listrik).Jadi saat rotor diputar dan kumparan pada rotor diberi tegangan DC (Direct Current) maka rotor akan menimbulkan medan magnet sehingga terjadi GGL pada kumparan stator, karena kumparan 31
pada stator memotong garis-garis medan magnet stator sehingga diperoleh medan magnet putar dan medan magnet inilah yang menginduksi tegangan AC 3 Fasa ke belitan stator.
Sinusoidal Stator
Slip-ring
Brush
Rotor Medan Magnet
Gambar 2.23 Simulasi Prinsip kerja generator
Proses pembangkitan tegangan tegangan induksi dapat dilihat pada Gambar 2.22. Jika rotor diputar dalam pengaruh medan magnet, maka akan terjadi perpotongan medan magnet oleh kumparan pada rotor. Hal ini akan menimbulkan tegangan induksi. Tegangan induksi terbesar terjadi saat rotor menempati posisi seperti Gambar 2.23. (a) dan (c). Pada posisi ini terjadi perpotongan medan magnet secara maksimum oleh penghantar. Sedangkan posisi jangkar pada Gambar 2.23.(b),akan menghasilkan tegangan induksi nol. Hal ini karena tidakadanya perpotongan medan magnet dengan penghantar pada rotor. Daerah medan ini disebut daerah netral.
32
Gambar 2.24 Pembangkitan Tegangan Induksi. Jika sebuah kumparan diputar pada kecepatan konstan pada medan magnethomogen, maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada kumparan tersebut. Medan magnet bisa dihasilkan oleh kumparan yang dialiri arus DC atau oleh magnet tetap. Pada mesin tipe ini medan magnet diletakkan pada stator (disebut generator kutub eksternal / external pole generator) yang mana energi listrik dibangkitkan pada kumparan rotor. Hal ini dapat menimbulkan kerusakan pada slip ring dan karbon sikat, sehingga menimbulkan permasalahan pada pembangkitan daya tinggi. Untuk mengatasi permasalahan ini, digunakan tipe generator dengan kutub internal (internal pole generator), yang mana medan magnet dibangkitkan oleh kutub rotor dan tegangan AC dibangkitkan pada rangkaian stator. Tegangan yang dihasilkan akan sinusoidal jika rapat fluks magnet pada celah udara terdistribusi sinusoidal dan rotor diputar pada kecepatan konstan. Tegangan AC tiga fasa dibangkitan pada mesin sinkron kutub internal pada tiga kumparan stator yang diset sedemikian rupa sehingga membentuk beda fasa dengan sudut 120. Pada rotor kutub sepatu, fluks terdistribusi sinusoidal didapatkan dengan mendesain bentuk sepatu kutub.Sedangkan pada rotor silinder, kumparan rotor disusun secara khusus untuk mendapatkan fluks terdistribusi secara sinusoidal. Untuk tipe generator dengan kutub internal (internal pole generator), suplai DC yang dihubungkan ke kumparan rotor melalui slip ring dan sikat untuk menghasilkan medan magnet merupakan eksitasi daya rendah. Jika rotor
33
menggunakan magnet permanen, maka tidak slip ring dan sikat karbon tidak begitu diperlukan. 2.2.3.2
Kecepatan Putar Generator Sinkron
Frekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron dengan kecepatan putar generator.Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian elektromagnet dengan suplai arus DC.Medan magnet rotor bergerak pada arah putaran rotor. Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik pada stator adalah:
f = np/120……………………………………………………………..…(2.15) yang mana: f = frekuensi listrik (Hz) n = kecepatan putar rotor = kecepatan medan magnet (rpm) p = jumlah kutub magnet Oleh karena rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan medan magnet, persamaan diatas juga menunjukkan hubungan antara kecepatan putar rotor dengan frekuensi listrik yang dihasilkan. Agar daya listrik dibangkitkan tetap pada frekuensi 50Hz atau 60 Hz, maka generator harus berputar pada kecepatan tetapdengan jumlah kutub mesin yang telah ditentukan. Sebagai contoh untuk membangkitkan 60 Hz pada mesin dua kutub, rotor arus berputar dengan kecepatan 3600 rpm.Untuk membangkitkan daya 50 Hz pada mesin empat kutub, rotor harus berputar pada 1500 rpm.
2.2.3.3
Alternator Tanpa Beban
Dengan memutar alternator pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (IF), maka tegangan (Ea ) akan terinduksi pada kumparan jangkar stator. Bentuk hubungannya diperlihatkan pada persamaan berikut.
Ea = c.n.φ .............................................................................................................(2.16) yang mana:
34
c = konstanta mesin n = putaran sinkron φ = fluks yang dihasilkan oleh IF Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, karenanya tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan (IF). Apabila arus medan (IF) diubah-ubah harganya, akan diperoleh harga Ea seperti yang terlihat pada kurva sebagai berikut.
Gambar 2.25
2.2.3.4
Karakteristik Tanpa Beban Generator Sinkron
Alternator Berbeban
Dalam
keadaan
berbeban
arus
jangkar
akan
mengalir
dan
mengakibatkan terjadinya reaksi jangkar. Reaksi jangkar besifat reaktif karena itu dinyatakan sebagai reaktansi, dan disebut reaktansi magnetisasi (Xm ). Reaktansi pemagnet (Xm ) ini bersama-sama dengan reaktansi fluks bocor (Xa ) dikenal sebagai reaktansi sinkron (Xs) . Persamaan tegangan pada generator adalah: Ea = V + I.Ra + j I.Xs ………………………………………………………(2.17) Xs = Xm + Xa ……………………………………………………………….(2.18)
yang mana:
35
Ea = tegangan induksi pada jangkar V = tegangan terminal output Ra = resistansi jangkar Xs = reaktansi sinkron Karakteristik pembebanan dan diagram vektor dari alternator berbeban induktif (faktor kerja terbelakang) dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
Gambar 2.26
2.2.3.5
Karakteristik Alternator berbeban Induktif
Pengaruh perubahan Daya Input Mekanis terhadap Generator Sinkron
Anggap bahwa Generator Sinkron membagikan daya input ke infinite busbar pada kondisi stabil, maka sebuah sudut daya ( power angle) δtetap diantara V dan E dan E mendahului ( leading) V. Phasor diagram situasi ini adalah sebagai berikut : E -jIaXs
δ
V
φ Ia
36
Sekarang anggap bahwa excitasi dari generator dijaga konstan dan daya input ke prime movernya ditambah. Penambahan pada daya input akan cenderung untuk mempercepat putaran rotor dan E akan bergerak lebih keatas terhadap V (yaitu besar sudut daya δakan semakin besar). Penambahan besar sudut daya menghasilkan Ia yang lebih besar dimana :
Ia =
−
dan memperkecil <φsehingga phasor diagramnya menjadi: E -jIaXs
δ φ
V Ia Sehingga Generator sinkron akan membagikan lebih besar daya aktif
ke infinite busbar. Keseimbangan akan menjadi re-established pada kecepatan putaran yang sesuai kepada frekuensi dari infinite busbar dengan sudut daya yang lebih besar. Gambar phasor diagram diatas digambarkan pada besar excitasi yang sama, maka berarti pada besar E yang sama seperti pada gambar diagram phasor sebelumnya tetapi daya aktif keluarannya atau active power output = V Ia cosФ adalah lebih besar daripada kondisi pada gambar diagram phasor yang pertama. Dengan penambahan besar sudut daya telah menyebabkan generator sinkron membagikan tambhan daya aktif ke infinite busbar. Perhatikan bahwa daya input mekanis ke prime mover tidak dapat merubah kecepatan putaran dari alternator sebab telah ditetapkan dengan frekuensi sistem. Penambahan daya input mekanis menambah kecepatan putaran dari alternator sesaat sampai waktu yang dibutuhkan < δ bertambah kesebuah harga yang dikehendaki untuk operasi yang stabil. Sekali kondisi ini dicapai, maka alternator akan terus berputar pada putaran
37
2.2.3.3
Bagian-Bagian Utama Generator
1.
Rotor Rotor adalah bagian generator yang berputar yang berfungsi untuk
membangkitkan medan magnet pada rotor. Bagian-bagian utama rotor dapat dilihat pada gambar 2.24. Bagian-bagian utama rotor terdiri dari : (a)
Collector Fan Collector fan merupakan bagian generator yang berfungsi untuk
mensirkulasi media pendingin pada stator generator. (b)
Collector Ring Collector ring merupakan penghubung rotor dengan tegangan DC
melalui sikat arang (Brush). (c)
Balance Plug Balance plug merupakan bagian yang berfungsi sebagai tempat untuk
meletakkan moment weight. (d)
Coil Slot Coil slot berfungsi sebagai ruang untuk menempatkan coil rotor
generator. (e)
Retaining Ring Retaining ring berfungsi sebagai penahan coil rotor disisi ujung, saat
rotor berputar akibat adanya gaya sentrifugal. (F)
Fan Fan berfungsi untuk mensirkulasi udara pada rotor generator.
(g)
Coupling
38
Coupling berfungsi sebagai penghubung shaft generator dengan shaft turbin.
Gambar 2.27 Rotor PLTA Renun
2.
Stator Stator adalah bagian generator yang tidak bergerak, berisi coil-coil
tempat terjadinya fluksi pada saat rotor berputar. Setelah mendapatkan Induksi medan magnet dari rotor, stator menghasilkan tegangan AC 3 Fasa sebagai energi listrik. Bagian-bagian utama stator dapat dilihat pada gambar 2.25. Bagian-bagian utama stator terdiri dari: (a)
Stator Housing Stator housing adalah kerangka atau dinding yang tersusun atas plat –
plat baja melingkar yang dihubungkan dengan batang besi Longitudinal. (b)
Inti Stator Inti stator terbuat dari bahan ferromagnetic yang berfungsi untuk
mengurangi rugi- rugi inti.
39
(c)
Belitan Stator Belitan stator berfungsi untuk menghasilkan tegangan AC 3 fasa
akibat adanya induksi dari rotor. (d)
Bantalan (Bearing) Bearing berfungsi sebagai penahan atau penumpu pada rotor dan
generator saat berputar dan untuk mengurangi getaran. Ada 3 bearing utama pada generator,yaitu: 1
Thrust bearing Thrust bearing berfungsi untuk meredam gaya axial pada shaft
generator saat operasi. 2
Upper guide bearing Upper guide bearing berfungsi untuk meredam gaya radial pada shaft
generator saat operasi. 3
Lower guide bearing Lower guide bearing berfungsi untuk meredam gaya radial pada
shaft generator saat operasi. (e)
Braking and Jacking Generator kapasitas besar dilengkapi dengan braking yang berfungsi
untuk membantu pengereman saat generator akan berhenti operasi serta jacking berfungsi untuk mengangkat poros rotor sesaat sebelum berputar.
Gambar 2.28
Bagian-Bagian Stator 40
Gambar 2.29
Stator PLTA Renun
Berikut ini adalah data spesiifikasi dari Generator yang dipakai di Unit PLTA Renun: Manufacture
:
ELIN
Type
:
SSV 290/8-176
Year of Manufacture
:
1999
Rated Out
:
46.000 KVA
Rated Voltage
:
11.000 V ± 10 %
Rated Current
:
2414 A
Frekuensi
:
50 Hz
Rated Factor
:
0,89
Serial Number
:
I.659260
41
Insulating Class
:
F
Rated Speed Rpm
:
750 rpm
Admissib over speed
:
1275
Direction of rotation
:
Clockwise Viewed fom above
Circuit Connection
:
Series
Total Weight
:
14.000 kg
2.2.3.3
Sistem Excitasi
Sistem eksitasi adalah sistem pasokan listrik DC sebagai penguatan pada generator listrik atau sebagai pembangkit medan magnet, sehingga suatu generator dapat menghasilkan energi listrik dengan besar tegangan keluaran generator bergantung pada besarnya arus eksitasinya. Berikut ini adalah dataspesifikasisistemexcitasidi Unit PLTA Renun: Potensial Source
:
Static Excitation
Rated Current
:
1030 A
Rated Voltage
:
105 V
Type of Construction
:
IM 8425 (W41)
1.
Prinsip kerja excitasi Excitasi bekerja setelah putaran generator mencapai putaran nominal
750 rpm. Supply tegangan awal untuk excitasi berasal dari station battery yang disearahkan dengan menggunakan dioda sebab tegangan battery masih belum murni tegangan DC. Pada saat arus medan yang berasaldari battery mengalir pada rotor, rotor telah menghasilkan medan magnet.
42
Pada saat rotor berputar dan memotong medan magnet antara rotor dengan stator maka terjadi GGL pada belitan stator. GGL yang timbul di stator merupakan tegangan output generator.Pada saat generator menghasilkan tegangan, secara automatis sumber tegangan excitasi diambil alih oleh trafo excitasi dengan menggunakanalat AVR. AVR ( Automatic Voltage Regulator ) adalah alat yang berfungsi untuk mengatur arus holding ke tyristor agar dapat mengatur tegangan output dan arus dari generator. Diagram excitasi dapat dili hat pada gambar 34.
VT
TrafoEksitasi
AVR MCB
Trystor
Gen MCB
TahananGeser
Battery
Gambar 2.30 Diagram Blok Excitasi 43
2.2.4
Main Transformator
2.2.4.1
Transformator
Gambar 2.31 Main Transformer PLTA Renun
Transformator
adalah
peralatan
listrik
yang
berfungsi
untuk
memidahkan energi listrik dari rangkaian primer ke rangkaian yang lain (Skunder) berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. 2.2.4.2
Bagian Utama Transformator
Transformator terdiri dari 3 komponen pokok yaitu: 1.
Kumparan pertama (primer) yang bertindak sebagai input.
2.
Kumparan kedua (skunder) yang bertindak sebagai output dan
3.
Inti besi yang berfungsi untuk memperkuat medan magnet yang dihasilkan.
44
Gambar 2.32
1.
Bagian-Bagian Transformator
Inti besi Inti besi berfungsi untuk mempermudah jalan fluks magnetik yang
ditimbulkan oleh arus listrik yang melalui kumparan.Dibuat dari lempenganlempengan besi tipis yang berisolasi, untuk mengurangi panas (sebagai rugi-rugi besi) yang ditimbulkan oleh pusaran arus. 2.
Kumparan transformator Kumparan transformator adalah beberapa lilitan kawat berisolasi yang
membentuk suatu kumparan atau gulungan.Kumparan tersebut terdiri dari kumparan primer dan kumparan sekunder yang diisolasi baik terhadap inti besi maupun terhadap antar kumparan dengan isolasi padat seperti karton dan lainlain.Kumparan tersebut sebagai alat transformasi tegangan dan arus. 3.
Minyak transformator Minyak transformator merupakan salah satu bahan isolasi cair yang
dipergunakan sebagai isolasi dan pendingin pada transformator.Fungsi dari Minyak Trafo adalah: Insulator yaitu menginsolasikan kumparan di dalam trafo supaya tidak terjadi loncatan bunga api listrik (hubungan pendek) akibat tegangan
45
tinggi. Pendingin yaitu mengambil panas yang ditimbulkan sewaktu trafo berbeban lalu melepaskannya. Melindungi komponen-komponen di dalam trafo terhadap korosi dan oksidasi. 4.
Bushing
Hubungan antara kumparan transformator dengan jaringan luar melalui sebuah bushing yaitu sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator. Bushing sekaligus berfungsi sebagai penyekat atau isolator antara konduktor tersebut dengan tangki transformator.Pada bushing dilengkapi fasilitas untuk pengujian kondisi bushing yang sering disebut center tap. 5.
Tangki konservator
Gambar 2.33 Tangki konservator PLTA Renun
46
Tangki konservator berfungsi untuk menampung minyak cadangan dan uap atau udara akibat pemanasan trafo karena arus beban. Diantara tangki dan trafo dipasangkan relai bucholzt yang akan meyerap gas produksi akibat kerusakan minyak . Untuk menjaga agar minyak tidak terkontaminasi dengan air, ujung masuk saluran udara melalui saluran pelepasan atau venting dilengkapi media penyerap uap air pada udara, sering disebut dengan silica gel dan dia tidak keluar mencemari udara disekitarnya. 2.2.4.3
Prinsip Kerja
Ketika kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak balik, perubahan arus listrik pada kumparan primer menimbulkan medan magnet yang berubah. Medan magnet yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi dan dihantarkan inti besi ke kumparan sekunder, sehingga pada ujung-ujung kumparan sekunder akan timbul GGL induksi. Efek ini dinamakan induktansi timbal-balik (mutual inductance). Spesifikasi Transformator PLTA Renun Berikut ini adalah data spesifikas dari Transformator yang dipakai di Unit PLTA Renun: PAUWELS Serial Number
:
98P00L
Year Manufacture
:
1998
Rated Power
:
46 MVA
Rated Voltage
:
150/11 kV
Rated Current
:
177/2414 A
Frequency
:
50 hz
Phase
:
3
Connection Symbol
:
TNd1
Standar
:
IEC76
High Volt Terminal
:
T–R–S–N
47
0
Top oil indicator
:
46 C
Winding temp oil
:
46 C
Top oil
:
60 0C
Average wind
:
65 C
2.2.4.4
0
0
Rumus perhitungan
Hubungan antara tegangan primer, jumlah lilitan primer, tegangan sekunder, dan jumlah lilitan sekunder, dapat dinyatakan dalam persamaan:
Vp
=
Tegangan primer (volt)
Vs
=
Tegangan sekunder (volt)
Np
=
Jumlah lilitan primer
Ns
=
Jumlah lilitan sekunder
Pada transformator (trafo) besarnya tegangan yang dikeluarkan oleh kumparan sekunder adalah: Sebanding dengan banyaknya lilitan sekunder (Vs ~ Ns). Sebanding dengan besarnya tegangan primer ( VS ~ VP). 48
Berbanding terbalik dengan banyaknya lilitan primer, Sehingga dapat dituliskan:
2.3
Data Teknis PLTA Renun
Data pembanding yang terdapat dilapangan diperoleh dengan data dbagai berikut :
Debit maksimum pengambilan
22 m3/s
Tinggi jatuh
467,6 m
Tinggi jatuh efektif
434,6 m
Elevasi air ( Fully supply )
EL. 1370 m
Elevasi air minimum untuk operasi
EL. 1365 m
Elevasi air tertinggi di tail race
EL. 905 m
Elevasi air terendah di tail race
EL. 902,4 m
Kapasitas terpasang
82 MW ( 41 x 2 unit )
Energi yang dihasilkan pertahun
313,5 Gwh
Pengambilan Utama (Main Intake)
Tipe aliran langsung 3
Debit maskimum 5,63 m /s Pengambilan
anak
sungai
Tipe aliran langsung
49
